Функциональный генератор своими руками

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 05.10.2024

В радиолюбительской лаборатории обязательным атрибутом должен быть функциональный генератор. Предлагаем вашему вниманию функциональный генератор, способный вырабатывать синусоидальный, прямоугольный, треугольный сигналы при высокой стабильности и точности. При желании, выходной сигнал может быть модулированным.

Диапазон частот разделен на четыре поддиапазона:
1. 1 Гц-100 Гц,
2. 100Гц-20кГц,
3. 20 кГц-1 МГц,
4. 150KHz-2 МГц.
Точно частоту можно выставить, используя потенциометры P2 (грубо) и P3(точно)

Регуляторы и переключатели функционального генератора:
P2 - грубая настройка частоты
P3 - точная настройка частоты
P1 - Амплитуда сигнала (0 - 3В при питании 9В)
SW1 - переключатель диапазонов
SW2 - Синусоидальный/треугольный сигнал
SW3 - Синусоидальный(треугольный)/меандр

Для контроля частоты генератора сигнал можно снять непосредственно с вывода 11.

Параметры:
Синусоидальный сигнал:
Амплитуда: 0 - 3В при питании 9В
Искажения: менее 1% (1 кГц)
Неравномерность: +0,05 дБ 1 Гц - 100 кГц

Прямоугольный сигнал:
Амплитуда: 8В (без нагрузки) при питании 9В
Время нарастания: менее 50 нс (при 1 кГц)
Время спада: менее 30ns (на 1 кГц)
Рассимметрия: менее 5%(1 кГц)

Треугольный сигнал:
Амплитуда: 0 - 3В при питании 9В
Нелинейность: менее 1% (до 100 кГц)

Каждый радиолюбитель, который изготавливает или повторяет радиоэлектронные устройства, рано или поздно сталкивается с необходимостью настройки и наладки собранных изделий.

В свою очередь, процесс настройки предполагает наличие соответствующих измерительных приборов. В наше время, безусловно, можно приобрести измерительные приборы промышленного изготовления, благо сейчас приборы стали широкодоступны.

Но, несложные приборы можно изготовить самостоятельно.

Вашему вниманию предлагается описание несложного функционального генератора, изготовленного мною много лет тому назад, который до сих пор находится в отличном работоспособном состоянии.

Функциональный генератор, это генератор колебаний, работающий в низкочастотном диапазоне (1Гц-100 кГц) и формирующий на выходе сигналы синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы. Описание этого функционального генератора было опубликовано в журнале Радио №6 за 1992 год.

Данный генератор значительно упрощает ремонт узлов и устройств низкочастотной аппаратуры. Внешний вид изготовленного мною функционального генератора.

На переднюю панель выведены :

-переключатель диапазонов генератора;

-переключатель режима работы генератора;

-ручка установки частоты генерируемых колебаний;

-регулятор уровня выходного напряжения;

Предлагаемый функциональный генератор имеет следующие технические характеристики:

— диапазон генерируемых частот 1 Гц-100 кГц, разделен на пять поддиапазонов:

5) 10 кГц-100 кГц;

— максимальный размах сигналов прямоугольный формы -10 В;

— максимальный размах сигналов треугольной формы -6 В;

— максимальный размах сигналов синусоидальной формы -3,3 В;

Краткое описание схемы функционального генератора.

Принципиальная схема функционального генератора представлена ниже:

Задающий генератор собран на элементах DD1.1, DD1.2, DD1.3. На выходе элемента DD1.1 формируются треугольные импульсы. Прямоугольные импульсы формируются узлом на элементах DD1.2, DD1.3.

Преобразователь сигналов треугольной формы в синусоидальную собран на элементах VD1-VD6 и R10-R12.

Частота генерируемых колебаний устанавливается переменным резистором R3.

Принципиальная схема частотомера, с учетом вышеизложенных доработок приведена ниже:

Настало время проверить работоспособность генератора.

Форму и размах колебаний проверяем при помощи осциллографа.

Синусоидальные колебания. Синусоида чистая, частота около 1000 Гц. Параметры каналов вертикального и горизонтального отклонения указаны на фото.

Треугольные колебания также имеют правильную форму :

Прямоугольные колебания выглядят не менее достойно. Меандр ровный и четкий, без выбросов, с крутыми фронтами.

Реальные технические характеристики функционального генератора практически соответствуют заявленным в авторской статье.

Небольшое видео, демонстрирующее работу цифровой шкалы функционального генератора:

Наглядно видно, как происходит подсчет количества импульсов.

Я хотел создать функциональный генератор, генерирующий аудио сигналы для тестирования эффектов / усилителей; а также TTL сигналов синхронизации для цифровых схем. Поскольку обычно новые функциональные генераторы стоят около £20, я решил, что смогу сделать такой генератор самостоятельно.

Для данного проекта я использовал интегральную схему XR-2206 для генерирования колебательного сигнала. Интегральная схема может создавать сигнал в виде синусоидальных и треугольных импульсов с заданной амплитудой и частотой, а также TTL сигнал синхронизации при напряжении 5 В. Частотный диапазон колеблется от 20 Гц до 300 кГц – поэтому данный функциональный генератор будет охватывать весь слышимый человеком диапазон частот.

Интегральная схема имеет входы для контроля частот всех сигналов, а также амплитуды синусоидального / треугольного сигнала.

Шаг 1: Список компонентов

Основные компоненты для функционального генератора

(2x) 1мкФ электролитические конденсаторы
(1x) 10мкФ электролитический конденсатор
(1x) 100нФ керамический / полиэфирный конденсатор
(1x) 10нФ керамический / полиэфирный конденсатор
(1x) 1нФ керамический / полиэфирный конденсатор
(1x) 10Ом резистор
(2x) 1КОм резисторы
(1x) 3 КОм резистор
(2x) 5 КОм резисторы
(1x) 10 КОм резистор
(1x) 30 КОм резистор
(2x) 10 КОм потенциометры, устанавливаемые на панели
(1x) 100 КОм потенциометр, устанавливаемый на панели
(2x) 25 КОм подстрочные резисторы
(1x) 4 поворотный переключатель положения
(1x) однополюсный перекидной выключатель
(5x) 4мм гнезда типа "банан"
(1x) 16 штыревое DIL гнездо
(1x) ИС XR2206 - функциональный генератор
Корпус устройства
Макетная плата
Провода с многожильным проводником

Дополнительные компоненты для опционального источника питания

(1x) 15В AC трансформатор
(1x) IEC ввод электропитания
(1x) двухполюсный выключатель
(1x) 1A предохранитель и держатель
(1x) 1A мостовой выпрямитель или (4x) диоды 1N4001
(1x) 2200мкФ электролитический конденсатор
(1x) 10мкФ электролитический конденсатор
(1x) 100нФ полиэфирный конденсатор
(1x) 220Ом резистор
(1x) 5мм светодиод с держателем
(1x) ИС 7812 - стабилизатор напряжения
Гибкая проволока для подключения электропитания

Шаг 2: Электрическая схема

Для данного проекта используется многофункциональная генераторная ИС – это обеспечило простоту конструкцию, а также малое количество компонентов. Я фактически использовал две микросхемы, которые соответствовали спецификации - Exar XR2206 и Maxim MAX038. В заключении я решил использовать XR2206 – эту микросхему легче и дешевле приобрести.

Частота регулируется двумя потенциометрами – один для грубой настройки и другой для точной. Важно, чтобы для этой цели вы использовали потенциометры хорошего качества, в противном случае будет очень трудно установить точную частоту, и она будет колебаться. С другой стороны вы может заменить два переменных резистора 10-оборотным потенциометром величиной 100 Ком для большей точности.

Я не использовал печатную плату для данного проекта, поскольку спаивал по мере возможности, однако вы можете увидеть, что различные компоненты располагаются в разных частях платы. Фильтр питания и делитель напряжения для контроля амплитуды располагаются слева, конденсаторы для частотного диапазона располагаются в нижней центральной части. Разделив монтажную схему на несколько подсекций легче разрабатывать конструкцию печатной платы.

Данная схема разработана для работы от однополярного источника электропитания напряжением 12 В DC. Подходящий источник питания показан на следующем шаге.

Шаг 3: Источник питания

**Данная часть схемы включает работу с высоковольтным источником переменного тока. Если вы сомневаетесь касательно работы с потенциально-смертельным уровнем напряжения, ПРОПУСТИТЕ ДАННУЮ ЧАСТЬ ПРОЕКТА. Вместо этого вы можете использовать AC адаптер питания. Я не несу ответственность за повреждения или травмы, которые могут возникнуть при работе с данным проектом.**

Я решил использовать внутренний источник электропитания для функционального генератора, чтобы не искать модули AC питания. Это означает, что мне не нужно каждый раз повторно калибровать функциональный генератор при запуске от другого напряжения питания, поскольку трансформатор внутри корпуса будет всегда выдавать на выходе одно и то же напряжение.

Убедитесь в том, что предохранитель 1А разрывает токоведущий проводник электропитания. При использовании металлического корпуса убедитесь, что он подсоединен к заземляющему проводнику электропитания. Я разместил все цепи электропитания на своей собственной плате вдали от основной схемы электропитания, с целью облегчения конструкции и снижения интерференции. Убедитесь, что все токоведущие проводники подключены со стороны первичной обмотки трансформатора.

Шаг 4: Корпус

Шаг 5: Калибровка

Для калибровки функционального генератора необходимо наличие осциллографа.

Очень важно правильно провести калибровку схемы, чтобы получить на выходе чистый колебательный сигнал. Начните с выбора синусоидального сигнала, выключив переключатель синусоидального / треугольного сигнала. Установите частотный диапазон на второй диапазон, и амплитуду на максимум.

Подсоедините щуп осциллографа на выход синусоидального / треугольного сигнала и установите ваш осциллограф на связь по переменному току – колебательный сигнал имеет DC смещение, другими словами вы не увидите полную волну на экране.

Установите подстрочный резистор в среднее положение и отрегулируйте смещение построечного резистора, пока синусоидальный сигнал на осциллографе не будет четко отображаться. С помощью устройства для контроля искажения продолжите регулировку симметрии для дальнейшего снижения искажения. Вы должны получить чистый синусоидальный сигнал, аналогичный показанному на диаграмме.

Сигнал в виде треугольных импульсов имеет большую амплитуду, чем синусоидальный сигнал, поэтому он будет обрезаться при полной амплитуде, в то время как синусоидальный сигнал не будет. Это, к сожалению, является внутренним дефектом схемы, однако не является большим недостатком, поскольку вы можете вручную установить амплитуду. Прямоугольный сигнал фиксируется при напряжении 5 В и не нуждается в регулировке.

Шаг 6: Модификации и обновления

Существует возможность вносить множество изменений в данный проект для его адаптации в соответствие с вашими особыми требованиями. Также можно увеличить максимальный частотный диапазон, добавив 5-ое положение на поворотный переключатель и подсоединив емкость 100 пФ, аналогично другим подключаемым компонентам. Это поднимет макс. частоту до величины 3 МГц (при данном значении действительно только использовать сигнал прямоугольной формы).

Вы можете использовать также поворотный переключатель для выбора формы сигнала, однако для его получения потребуется грамотное подключение, а также замена переключателя синусоидальный/треугольный сигнал.

Я надеюсь, вы найдете данный проект полезным – он оказался очень кстати при тестировании аудио схем.

Генераторы ВЧ, НЧ

Предлагаемый генератор относится к измерительным приборам для проверки и настройки различной радиоэлектронной и электротехнической аппаратуры, содержащей приемники, усилители, резонансные цепи электронных генераторов, устройства импульсной техники и аналогичных систем, работающих R диапазоне частот 1 Гц – 1 МГц с сигналами прямоугольной, треугольной или синусоидальной форм.

Такие генераторы сигналов называются функциональными. Часто в них используется микросхема типа XR-2206CP. В Интернете есть различные варианты конструкций функциональных генераторов на указанной микросхеме, но информации по доступной технологии изготовления в любительских условиях их рабочего варианта недостаточно. Многие конструкции не имеют на выходе гальванической развязки, что ограничивает возможности их применения. Китайские производители поставляют полные наборы деталей с печатной платой и корпусом, но при самостоятельном изготовлении получается значительно дешевле и интересней.

Принципиальная схема функционального генератора

Схема генератора сигналов на микросхеме соответствует datasheet производителя микросхемы XR-2206CP, плюс эмиттерный повторитель на высокочастотном транзисторе типа КТ602БМ, что повышает нагрузочную способность генератора и позволяет проверять и настраивать цепи с низким сопротивлением. Принципиальная схема приведена на рис.1. Для переключения диапазонов частот применен джампер SW1, амплитуда треугольных и синусоидальных сигналов на выходе микросхемы (гнездо ХЗ) регулируется переменным резистором R3, а на выходе эмиттерного повторителя (гнездо Х4) амплитуды всех импульсов регулируются резистором R11.

Амплитуда прямоугольных импульсов максимальна и не регулируется на гнезде Х2. Частота сигналов регулируется грубо резистором R7, а плавно – резистором R8. На гнезде Х2, во всех режимах работы, присутствует прямоугольный сигнал для контроля частоты с помощью частотомера.

Технические характеристики генератора при напряжении питания 9В

Диапазоны частот:

1 Гц- 100 Гц;
100 Гц – 20 кГц;
20 кГц – 100 кГц;
100 кГц – 1 МГц.

Уровни сигналов:

Прямоугольный сигнал 8 В;
Треугольный и синусоидальный сигналы 0…3 В.

Конструкция и технология изготовления функционального генератора

Схема генератора собрана навесным монтажом на монтажной плате из стеклотекстолита размером 90×60 мм. Размещение деталей на монтажной плате показано на рис.2. Если его отсканировать и забелить детали, то можно изготовить печатную плату.

При этом рисунок платы необходимо увеличить так, чтобы расстояние между отверстиями для панельки микросхемы получились в натуральную величину. Общий размер платы при этом может несколько отличаться от указанного выше, так как рисунок для статьи был сделан после изготовления генератора.

Сначала рисунок монтажа деталей был сделан на миллиметровой бумаге в натуральную величину с общим размером 90×60мм. Этот рисунок был наложен на плату и тонким сверлом, закрепленным в часовой отвертке, были намечены все отверстия. После этого маленькой электродрелью были просверлены все отверстия диаметром 1.2 мм. В такие отверстия могут входить соединительные проводники и выводы деталей.

При такой технологии монтажа сверлятся отверстия также в углах поворота, на длинных участках и на концах соединительных проводников для их закрепления, а также возле выводов панельки микросхемы и джампера для завода концов проводников под низ платы к этим выводам. В
местах установки радиодеталей соединительные проводники должны проходить через отверстия с одной стороны платы на другую.

На рис.3 показано соединение радиодетали с проходящим проводником (а), с концом проводника (b) и соединение проводника с ножкой панельки микросхемы (с). В авторском варианте использованы отрезки проводников от витой пары со снятой изоляцией.

Перед монтажом соединительные проводники, ножки панельки микросхемы, выводы джампера и радиодеталей тщательно зачищаются и залуживаются припоем не хуже, чем ПОС-60. После этого прокладываются и закрепляются на концах все соединительные проводники, проходя через все отверстия согласно рис.2.

Для удобства монтажа к этим деталям припаиваются проводники для соединения их с монтажной платой. Этот уголок крепится по центру монтажной платы двумя винтами и гайками М3, а проводники его деталей припаиваются к выводам монтажной платы согласно рис.2.
В качестве корпуса генератора использована коробочка для дискет из оргстекла. В нижней части коробочки, которая будет передней панелью генератора, размечаются центры отверстий для ручек переменных резисторов и гнезд.

Чтобы уголок с резисторами и гнездами плотно прилегал к стенке коробочки, отверстия для ручек резисторов имеют диаметр 16 мм, а для гнезд – 10 мм. Эта операция очень тонкая и требует тщательности, чтобы не повредить коробочку.

Для этого необходимо в центрах отверстий сначала просверлить отверстия диаметром 1.5-2 мм, а потом сверлить перовыми сверлами на малых оборотах. Если не удастся приобрести перовые сверла, их можно изготовить из простой стали, как показано на рис.4. Толщина пластинок около 2 мм, ширина одной равна 16 мм, а другой – 10 мм.

Пластинка вставляется в щель стержня и крепится винтом и гайкой М3. Сверло готово к работе. Для крепления платы после сверления отверстий монтажная плата вставляется в коробочку и прижимается к передней стенке. По середине стенки между отверстиями для переменных резисторов сверлится два отверстия диаметром 2.5 мм, проходя через оргстекло и алюминий. Плата извлекается и в алюминиевом уголке нарезается резьба М3, а в оргстекле отверстия диаметром 2.5 мм рассверливаются до 3.5 мм.

После этого необходимо установить переключатели SW3 и SW4. В авторском варианте применены переключатели типа ПД1. Для их движков в боковой стенке коробочки лобзиком вырезаны прямоугольные отверстия и просверлены крепежные отверстия. Переключатели крепятся четырьмя винтами и гайками М3. После этого плата вставляется в коробочку и крепится винтами. В левом верхнем углу передней панели сверлится отверстие диаметром 4.8 мм, в которое вставляется и подпаивается светодиод согласно рис.2.

К плате также подпаиваются контакты переключателей SW3 и SW4. Эмиттерный повторитель собран навесным монтажом на алюминиевой пластинке размером 55×30 мм и закреплен на задней стенке коробочке, как показано на рис.5. Выводы эмиттерного повторителя подпаиваются к SW3 и монтажной плате согласно рис.2. Размещение деталей собранного генератора показано на рис.6. вид на монтажную плату снизу показан на рис.7.

Настройка генератора

Для проверки работоспособности генератора микросхема XR-2206CP вставляется в панельку, генератор вч сигналов на микросхеме подключается к блоку питания. Частотомер подключается к гнезду эмиттерного повторителя Х4, так как применяемый частотомер шунтирует сигнал при подключении к гнезду Х2.

Осциллограф подключается к гнезду Х2, на котором всегда должен быть прямоугольный импульс. Проверка начинается с первого диапазона. для чего перемычкой джампера подключается конденсатор С3, переменные резисторы устанавливаются в среднее положение. При этом на экране осциллографа должен появиться прямоугольный импульс, что будет свидетельствовать о том, что микросхема рабочая.

Это очень важный момент, так как иногда поставщики или продавцы реализовывают нерабочие микросхемы (есть такой опыт). Если сигнал не появился необходимо тщательно проверить правильность монтажа и надежность паек. Если все правильно, а сигнала нет, то необходимо заменить микросхему. Лучше одолжить проверенную микросхему, убедиться, что генератор работает, а затем установить свою. Следует также отметить, что рабочие микросхемы одной и той же партии могут отличаться параметрами.

Это могут подтвердить конструкции из Интернета, где для одних и тех же диапазонов частот применяются разные конденсаторы и даже появляется пятый диапазон частот. Когда генератор заработал, резисторами R7 и R8 проверяют границы диапазона. Если они отличаются от заданных, то подбирают наминал конденсатора С3. После этого убеждаются в наличии треугольного и синусоидального сигналов. Осциллограф подключают к гнезду ХЗ, а переключатель SW3 ставят в нижнее положение, а переключателем SW4 выбирают синусоиду или треугольник.

Резистором R3 регулируют уровень этих сигналов. Бывает, что при увеличении уровня правильной формы сигнала верхняя часть его ограничивается, то есть появляется асимметричное искажение. В микросхеме есть выводы 15 и 16, которые, обычно, в таких схемах не задействуются, но они предназначены для симметрирования сигнала. Если к ним подключить крайние выводы подстроечного резистора величиной 30 кОм, а движок подключить к минусу, то можно устранить асимметрию сигнала.

Не исключается и такой вариант, что асимметрия начинается выше заданной амплитуды 3 В. Причина кроется внутри микросхемы. В этом случае можно увеличить напряжение, подаваемое на резистор R3 путем уменьшения сопротивления резистора R1 или увеличения R4.

Минимальная амплитуда получается при закороченном резисторе R3, когда на ножке 3 микросхемы установлено максимальное напряжение, поэтому соединять выводы R3 необходимо так, как показано на рис.2 (в отличие от R7 и R8), чтобы увеличение амплитуды сигналов происходило при вращении ручки R3 по часовой стрелке.

Правильно настроенный генератор с качественной микросхемой XR-2206CP генерирует сигналы хорошей формы с незначительными искажениями. На рис.8 показан генератор в рабочем режиме. В заключение следует отметить, что для качественной настройки электронных и электрических устройств функциональный генератор сигналов необходимо использовать совместно с хорошим частотомером.

Читайте также: